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科学家发现非常规超导体材料,或能搭建未来量子计算平台

前瞻网    2021-07-20 17:24

 

 

科学家发现非常规超导体材料,或能搭建未来量子计算平台

所有超导体都没有任何阻力地传输电流。但是不同的超导体实现超导的方式各不相同。自2000年代初以来,科学家们一直在寻找一种特殊的超导体,这种超导体依赖于实际携带其电流的亚原子粒子的复杂编排。

日前,这些科学家们提供了迄今为止最令人信服的证据,证明他们已经找到了这种超导体。在两篇论文中,马里兰大学(UMD)量子材料中心(QMC)的研究人员及其同事表明,二碲化铀(或简称UTe2)具有拓扑超导体的许多特征——一种可以解锁的材料构建量子计算机和其他未来设备的新方法。

到目前为止,还没有任何超导体被最终证明是拓扑的,但Paglione的团队与斯坦福大学的AharonKapitulnik小组合作进行的一项研究表明,UTe2中同时存在的不是一种而是两种超导性。使用这一结果,以及光从材料反射时改变的方式(除了先前发表的实验证据),他们能够将存在的超导类型缩小到两种选择,理论家认为这两种选择是拓扑的。他们于2021年7月15日在《科学》杂志上发表了他们的发现。

在新的科学论文中,Paglione和他的合作者报告了两个新的测量结果,揭示了UTe2的内部结构。UMD团队测量了材料的比热,该比热表征了将其加热1度需要多少能量。他们测量了不同起始温度下的比热,并观察它随着样品变得超导而发生的变化。

“通常在超导转变时比热会有很大的跳跃,”Paglione说。“但我们看到实际上有两次跳跃。所以这是实际上两次超导转变的证据,而不仅仅是一次。这是非常不寻常的。”

这两次跳跃表明UTe2中的电子可以配对以执行两种不同的舞蹈模式中的任何一种。

在第二次测量中,斯坦福团队将激光照射到一块UTe2上,并注意到反射回来的光有点扭曲。如果他们发送上下摆动的光,反射光主要是上下摆动,但也有一点左右。这意味着超导体内部的某些东西正在扭曲光,并且在输出时没有将其解开。

斯坦福大学的Kapitulnik团队还发现,磁场可以迫使UTe2以一种或另一种方式扭曲光。如果他们在样品变成超导时施加一个朝上的磁场,发出的光就会向左倾斜。如果他们将磁场指向下方,光线就会向右倾斜。这告诉研究人员,对于在样品内部跳舞的电子,晶体的上下方向有一些特殊之处。

如果材料中的超导性质是拓扑的,则材料主体的电阻仍将为零,但在表面上会发生一些独特的事情:称为马约拉纳模式的粒子将出现并形成一种流体一种超导体。尽管材料中存在缺陷或环境中的小干扰,这些颗粒也会保留在表面上。研究人员提出,由于这些粒子的独特性质,它们可能是量子计算机的良好基础。将一段量子信息编码到几个相距很远的Majoranas中,可以使信息几乎不受局部干扰的影响,到目前为止,这种干扰一直是量子计算机的祸根。

Anlage的团队希望更直接地探测UTe2的表面,看看他们是否能发现这个马约拉纳海的特征。为此,他们向一块UTe2发送微波,并测量从另一侧发出的微波。他们比较了有和没有样品的输出,这使他们能够同时测试本体和表面的特性。

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